基于正交實驗設計方法的APS噴涂Al2O3涂層性能的研究

閆祖鵬，張世宏，溫永紅，劉俠，薛召露

（1.安徽工業(yè)大學現(xiàn)代表界面工程研究中心，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

大氣等離子噴涂是熱噴涂技術的一項重要工藝方法，該技術在航空航天和石油化工等領域獲得了廣泛關注和應用[1]。大氣等離子噴涂是采用非轉移型等離子弧作為熱源將噴涂粉末加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，并以很高的速度噴射到預處理的基體表面形成涂層[2]。相較其它熱噴涂工藝方法，大氣等離子噴涂具有可噴涂材料范圍廣、工藝過程控制精確、生產(chǎn)效率高、對基材熱影響小等顯著特點[3]。

Al2O3陶瓷涂層硬度高，耐磨性好；其化學性能穩(wěn)定，能耐大多數(shù)酸、堿、鹽和溶劑的腐蝕，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能[4-7]。大氣等離子噴涂是最適于噴涂Al2O3粉末的熱噴涂工藝。在國內(nèi)的文獻中，研究大氣等離子熱噴涂工藝參數(shù)對Al2O3陶瓷涂層性能影響規(guī)律的文獻較少，本文采用三因素三水平正交實驗優(yōu)化大氣等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層的制備工藝參數(shù)，采用極差和方差分析法，通過對結合強度和硬度的綜合評價，探索主氣流量、噴涂功率和送粉量三個工藝參數(shù)對涂層性能和結構的影響規(guī)律。由于陶瓷涂層和金屬基體的結合強度較低[8]，故本文選用NiCrAlY作為粘結底層用以提高Al2O3陶瓷涂層與基體的結合力。

1 實驗材料與方法

1.1 涂層材料

本實驗所用陶瓷粉末為北京信中仁新材料技術公司生產(chǎn)的Al2O3粉末，其XRD物相如圖1(a)所示，主要由穩(wěn)定三方晶結構的α-Al2O3相構成；其SEM形貌如圖1(b)所示，粉末呈不規(guī)則的尖銳棱角狀，顆粒致密且表面光滑，粒徑大多在15-40μm 之間。

圖1 Al2O3粉末的XRD圖譜和SEM形貌Fig.1 The XRD pattern and SEM morphology of Al2O3 powder

1.2 涂層的制備及工藝

試樣基材選用UMCo-50耐熱合金，試樣尺寸為14×14×10mm，用丙酮除油后進行超聲波清洗，經(jīng)60目的棕剛玉噴砂處理，壓縮空氣壓力為0.6-0.8MPa。大氣等離子噴涂設備為Oerlikon Metco的UniCoatProTM噴涂系統(tǒng)，噴槍型號為F4MB-XL。

采用三因素三水平正交實驗設計大氣等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層的工藝參數(shù)，選擇對涂層質量影響較大的三個工藝參數(shù)：主氣流量、噴涂功率、送粉量，各因素及每組參數(shù)對應的簡稱見表1，噴涂距離保持100mm，載氣Ar流量為5L/min，輔氣流量H2為13L/min，噴槍移動速度為600mm/s，步距為3mm。

表1 大氣等離子噴涂Al2O3工藝參數(shù)正交實驗表Table 1 Orthogonal experimental table of technological parameters of atmospheric plasma sprayed Al2O3

1.3 性能表征

采用Bruker-D8Advance型X射線衍射儀（入射線為Cu Kα，λ=1.54178nm，Cu靶加速電壓為40KV，電流為40mA）分析粉末和涂層物相，Phenom XL型掃描電鏡觀察粉末的形貌以及涂層的表面和截面形貌。涂層的孔隙率利用圖像法來測量，在SEM 600倍下，選取5個位置拍攝工作層截面圖片，經(jīng)Image Tool 3.0軟件處理后，得到黑白相間的圖片，再用軟件測算圖片中黑點占整個圖片的百分數(shù)，每張圖片做6次重復性計算后，取30組數(shù)據(jù)的平均值進行分析。涂層的顯微硬度由HV-1000維氏硬度計來測量，載荷為300gf，加載時間15 s，每組樣品在不同的位置上測試8次，取平均值進行分析。涂層的結合強度按照GB/T8642-2002制備Φ25×50mm的拉伸試樣，由WDW-50微機控制電子萬能試驗機進行測試，拉伸速度為2mm/min，采集斷裂時的最大結合強度，取平均值進行分析。

2 實驗結果與分析

2.1 涂層物相分析

圖2為Al2O3粉末與正交實驗涂層的XRD圖譜。從圖2可知，正交實驗涂層的物相中γ-Al2O3的衍射峰較強，α-Al2O3的相對較弱，說明涂層的物相主要由亞穩(wěn)態(tài)的γ-Al2O3和少量的穩(wěn)態(tài)α-Al2O3兩相構成。這是由于在大氣等離子噴涂過程中，γ-Al2O3的形核壁壘能量低于α-Al2O3，在快速的冷卻過程中涂層組織以γ-Al2O3的結構形核凝固，未完全熔融的α-Al2O3顆粒則以穩(wěn)態(tài)α-Al2O3相存在于涂層中[9,10]。

圖2 粉末與正交實驗涂層的XRD圖譜Fig.2 The XRD spectra of powder and orthogonal experimental coatings

2.2 涂層的截面微觀結構

圖3為正交實驗的Al2O3陶瓷涂層的截面形貌，由圖可知，NiCrAlY粘結層與基體結合界面基本連續(xù)完整，未出現(xiàn)較多的孔隙、裂紋。Al2O3工作層與NiCrAlY粘結層的界面結合處形成不規(guī)則的交錯咬合，結合方式為機械結合[11]。Al2O3工作層未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但存在較多較小的孔隙，這是由于無數(shù)變形扁平的Al2O3粒子相互交錯堆積并疊加產(chǎn)生的搭橋效應而形成的[2]。

圖3 正交實驗涂層的截面形貌：(a)A1B1C1；(b)A1B2C2；(c)A1B3C3；(d)A2B1C2；(e)A2B2C3；(f)A2B3C1；(g)A3B1C3；(h)A3B2C1；(i)A3B3C2Fig.3 Cross-sectional morphology of orthogonal experimental coatings:(a)A1B1C1, (b)A1B2C2, (c)A1B3C3, (d)A2B1C2, (e)A2B2C3, (f)A2B3C1, (g)A3B1C3, (h)A3B2C1, (i)A3B3C2

2.3 涂層的孔隙率

表2為正交實驗的Al2O3陶瓷涂層的孔隙率值，不同工藝參數(shù)的孔隙率值在4.21%-6.28%之間，其中A2B2C3和A2B3C1兩種工藝得到的涂層孔隙率較低，分別為4.21%和4.34%。

2.4 實驗分析

涂層的力學性能與涂層的服役壽命緊密相關，主要包括涂層的結合強度和硬度[12]。故本實驗采用極差分析法（又稱R法）[13]處理結合強度和硬度數(shù)據(jù)，以結合強度和硬度綜合考量涂層的力學性能，使得工藝優(yōu)化后的涂層力學性能最佳。依據(jù)極差R的大小，判斷因素的主次，R值越大，說明該因素對實驗指標的影響越大，并且通過綜合加權評分的方式可以對涂層力學性能進行綜合評價。

表2 正交實驗涂層的孔隙率值Table2 The porosity value of orthogonal experimental coatings

綜合加權評分的公式：Yi=mi1ni1+mi2ni2+…+mijnij

其中：mij為加權系數(shù)，表示各項指標在加權評分中所占的比重，nij為實驗指標值，下標i、j表示第i組實驗的第j個指標值。兩個實驗指標的變化范圍為：

Kj(最大值與最小值的差)K1=54-31=23MPa K2=1189.0-985.5=203.5HV0.3

其中：54Mpa和1189.0HV0.3為工藝A2B2C3的結合強度和顯微硬度，31Mpa為工藝A1B1C1的結合強度，985.5HV0.3為工藝A3B2C1的顯微硬度。

令綜合評分為100分，其中結合強度和顯微硬度滿分均為50，則指標系數(shù)為：mi1=50/K1=2.173，mi2= 50/K2=0.246，表3為正交實驗評價表分析結果。

表3 正交實驗評價表分析結果Table 3 Orthogonal experiment evaluation table analysis results

表4 正交實驗方差分析結果Table4 Analysis of variance of orthogonal experiments

通過正交實驗的方差可以定量分析各個因素對涂層性能的影響程度，用F值來檢驗[12]，可以補充極差分析的精確性，分析結果如表4所示。結合表3和表4可得，3個因素對涂層綜合性能的影響主次順序依次為：噴涂功率、主氣流量、送粉量，這說明噴涂功率是影響涂層結合強度和顯微硬度的主要因素，主氣流量處于次要因素，送粉量影響最小。

涂層的性能取決于涂層的結構，而涂層的結構受粉末粒子的熔化狀態(tài)、溫度和撞擊基體瞬間的速度等因素影響[14]。由表3可知，隨著功率的增大，結合強度、硬度和加權綜合評分出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，功率對涂層的性能影響最大，等離子的焰流溫度會隨著功率的增加而升高，粉末受到的熱量就越大，粉末熔化的就越充分。功率過大，噴涂粉末的蒸汽在涂層的疊層之間凝聚引起粘接不良，導致孔隙率升高，如工藝A1B3C3，功率達到最高值48KW時孔隙率值也增大到5.35%；功率過小，溫度較低的等離子焰流會使得粉末未完全熔化，被高速噴出并堆積，導致涂層的沉積效率下降，甚至出現(xiàn)裂紋和較多的孔隙，如工藝A1B1C1，功率降低到最小值40KW時孔隙率達到最大值6.28%。

主氣流量決定著粉末進入等離子焰流的初始速度，隨著主氣流量的增加，結合強度、硬度和加權綜合評分也出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢。主氣流量過大，會使粉末穿過等離子焰流中心，出現(xiàn)“邊界效應”[15]，導致涂層結構疏松，孔隙率升高，結合強度降低；主氣流量過小，粉末的初速度變小，粉末未到達焰流中心，會使得粉末熔化不均勻，故適中的主氣流量可獲得力學性能高的、孔隙率低的Al2O3涂層。

送粉量是對涂層性能影響較小的一個參數(shù)，送粉量應與功率和主氣流量相適應，合適的送粉量可以使得粉末在等離子焰流中心加熱并完全熔化，并且熔融粒子在撞擊基體時可以獲得較好的速度和溫度，從而獲得致密的涂層。

優(yōu)化后的工藝為A2B2C2，即噴涂功率44KW，主氣流量40L/min，送粉量40g/min，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后制備的涂層表面和截面形貌見圖4。由圖4可知，表面形貌中未熔融的α-Al2O3彌散分布在熔融的γ-Al2O3基體中，截面致密均勻，缺陷較少，孔隙率低。涂層結合強度為52MPa，顯微硬度為1219.4HV0.3，孔隙率為4.00%，涂層的綜合評分Y=2.173×52+0.246×1219.4 =412.968，與表3進行比較可發(fā)現(xiàn)，綜合評分值最高。所以，方案A2B2C2為大氣等離子噴涂Al2O3涂層的最優(yōu)工藝。

圖4 工藝參數(shù)優(yōu)化后涂層形貌(a)表面; (b)截面Fig.4 Coating morphology after optimization of process parameters (a) surface, (b) section

3 結論

(1) α-Al2O3粉末大氣等離子噴涂制備的涂層物相由主相γ-Al2O3和少量未熔α-Al2O3兩相構成；Al2O3工作層與NiCrAlY粘結層之間、NiCrAlY粘結層與基體之間均屬機械結合。

(2) 3個工藝參數(shù)對Al2O3涂層綜合性能的影響主次順序依次為：噴涂功率＞主氣流量＞送粉量，隨著功率和主氣流量的升高，涂層的結合強度和硬度均出現(xiàn)先增大后降小的趨勢。

(3) 最優(yōu)的大氣等離子噴涂Al2O3涂層的工藝參數(shù)為：噴涂功率44KW，主氣流量40L/min，送粉量40g/min，所制備涂層性能：結合強度為52MPa、顯微硬度1219.4HV0.3、孔隙率4.00%。